硅太阳电池少数载流子寿命研究与测量Word下载.docx
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马迟指导教师签名：
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加心年4-月订日歹。
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F年f月／牛日’
农业生物环境与能源工程专业研究生：
马逊指导教师：
刘祖明教授陈庭金教授廖华副教授国家“863”计划（2001AA513040）赞助
摘要：
本文通过对测试少数载流子寿命的各种方法进行分析后提出了一种新的测量成品太阳电池基区少数载流子寿命的方法，这种方法通过分析太阳电池的I—V特性得到基区少数载流子寿命与太阳电池丌路电压、短路电流的关系。
同时考虑了串联电阻、并联电阻对丌路电压、短路电流的影响，得到了太阳电池基区少数载流子寿命与开路电压、短路电流、串联电阻和并联电阻的关系。
通过测试成品电池的I．V特性得到开路电压、短路电流、串联电阻和并联电阻的值，计算得到饱和暗电流和太阳电池基区少数载流子寿命。
这种测量是在电池制备完成后进行的。
该方法的特点是，可以结合准稳态光电导测试方法共同监控工艺过程中的少数载流子寿命变化，从而完善了太阳电池工艺过程中少数载流子寿命的全程监控。
本论文实验部分完全按照工业化流程在不同的条件下制作太阳电池，在每一步流程后监控太阳电池少数载流子寿命，得到了较为优化的扩散条件和氧化条件。
通过实验对比验证了该方法是可行的。
该测量方法完善了在太阳电池工艺过程中对少数载流子寿命变化的监控。
关键词：
太阳电池，I．V特性，饱和暗电流，少数载流子寿命，工艺监控
云南师范大学硕上学位论文
Minoritycarrierlifetimeofsiliconsolarcellresearchandmeasurement
Discipline：
EngineeringofAgrobiologicEnvironmentandEnergy
MasterCandidate：
MaXun
Supervisor：
Prof．LiuZumingProf．Cheni-ingjin
kssociateProf．LiaOHua
Sponsoredby“863”Project（2001AA513040）
Abstraet：
ItiSanewtechniquethatusingI-Vcharactertomeasureminoritylifetimeinsolareellbaseregionforfinishedsolarcells．ThemethodiSacquiredbyanalyzingtherelationshipofcarrierlifetimeandshortcircuitcurrentandopencircuitvoltage．
ThroughmeasuringI-Vcharacterofsolarcells．shortcircuitcurrentandopencircuitvoltageandseriesresistantandshuntresistantcouldbegained，andthenminoritycarrierlifetimeanddarksaturationcurrentarecalculatedbythenewmethod．
Specialty,thenewmethodcarlbeusedtomonitorthesolarcellsminoritycarrierlifetimewithQSSpcduringmanufaeturedprocessing．Thatmademinoritycarrierlifetimemonitoredinthewholemanufacturedprocessespefectly．
Inourexperiments．solarcellsaremanufacturedaccordingtostandindustrialprocesses，andminoritycarrierlifetimeiSmeasuredaftereachprocesstooptimize
di肌sionconditionsandoxidationconditions．Thenewmethodhasbeenproved
feasiblebyexperimentalcontrasttomeasurebaseregionminoritycarrierlifetimeofsolarcell．Thenewmethodcouldmonitormanufactureprocessesperfectly．
Keywords：
solarcell，1-Vcharacters，darksaturationcurrent,minoritycarrierlifetime，
monitoringtechnicprocessing
2
1前言
1．1环境保护与太阳能利用
随着社会经济的高速发展，能源消耗剧增，化石燃料的日趋枯竭。
加之与日俱增的化石燃料的燃烧所造成的环境污染，已经对地球生态平衡和人类的生存带来了严重的危害。
煤、油、电的短缺引发了人们的能源危机感和经济发展
速度减慢。
据预测，2050年世界人口将增至89亿，届时能源的需求将是现在的3倍。
其中主要的需求来自于发展中国家。
到2006年，我国还将新建更多的火力电厂以缓解紧张的能源形势，但这只是暂时性地解决问题。
人们对新能源的需求从未如此迫切过，可再生能源是一个非常重要的新能源选择。
它是发达国家和发展中国家的重要替代能源之一。
在新能源中特别引人注目的是不断倾注于地球的永久性能源——太阳能。
太阳辐射能决定了地球表面的温度，提供地球表面和大气层中自然过程的全部能量。
太阳是一个由其中心发生核聚变反应所加热的气体球。
据估计，太阳中心附近的温度约1．6×
107K，光球层的温度比太阳内部的温度低的多，约
6000K，光球层的辐射光谱基本上是连续的电磁辐射光谱，它向太空辐射的能量大约为3．845×
10”W，而地球所在大气上界接受的辐射能仅为1．735×
1014kw，实际上每年到达地球表面的太阳能辐射能有5．2×
1013kWl21。
因此太阳能是取之不尽，用之不竭的清洁、安全能源。
特别是在我国广阔富饶的土地上，有着十分丰富的太阳能资源。
全国各地太阳能总辐射量为3340—
8400MJ／（m2·
a），中值为5852MJ／（m20a）。
从全国太阳能年总辐射量的分布看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳能总辐射量很大。
我国的太阳能资源与同纬度的其他国家相比，除四川盆地和与其毗邻的地区外，绝大多数地区的太阳能资源相当丰富，和美国类似，比日本、欧洲条件优越得多，特别是青藏高原中南部的太阳能资源尤为丰富，接近世界上著名的撒哈拉大沙漠。
由此看出我国有着非常丰富的太阳能资源p】。
云南师范人学硕。
lj学位论文
1．2太阳电池与我国的光伏发电技术
太阳电池是利用半导体的光生伏特效应直接将太阳能转化为电能的半导体器件。
图1太阳电池的工作原理
Fig．1Worktheoriesofsolarcell
1839年，法国的贝克勒尔（Becquerel）第一次在化学电池中观察到光伏效
应，1876年，在固态硒（Se）的系统中也观察到了光伏效应，随后开发出Se／CuO光电池。
1941年就有硅电池的报道，1954年贝尔实验室Chapin等人开发出效率为6％的第一代单晶硅电池。
1958年太阳电池用作宇宙飞船电源。
由于太阳
电池成本太高，到70年代中期仍主要应用于空间。
1973年能源危机后大大促进了太阳电池研发工作，太阳电池开始了一个蓬勃发展时期，这个时期不但出现了许多新型电池，丽且引入了许多新技术，例如【4】=
1）背表面场（BSF）电池——在近电池背面引入同型重掺杂区，使电池
的开路电压、短路电流和填充因子得到改进，提高电池效率。
2）紫光电池——这种电池最早是为通信卫星开发的，因其浅结、密栅、
减反射而获得高的蓝一紫光响应，从而提高转换效率。
3）表面织构化电池——绒面电池，为入射光线在其表面进行多次反射
吸收而获得高效率。
4）异质结太阳电池——即不同带隙的半导体材料构成的太阳电池。
4
5）MIS电池——是肖特基（MS）电池的改型，即在金属和半导体之间加入15—30A绝缘层，使MS电池由多子支配暗电流变成少数载流子遂穿支配而大大降低暗电流。
其优点是工艺简单，制造成本低。
6）MINP电池——可以把这种电池看作是MIS电池和p—n结的结合，其中氧化层对表面和晶界复合起到抑制作用，这种电池后来过渡到高效电池。
7）聚光电池——聚光电池的特点是在高光强下工作，可大大提高输出
功率，同时也使电池效率有所提高．因此有降低成本的潜力。
至70年代末期，上述许多新技术的采用和引入使得太阳电池实验效率达到
20％，工业化生产为13～14％，成本下降，从空间应用发展到地面应用。
到目前为止晶硅太阳电池的最高效率见下表15、6、7、8、9】
表1晶体硅太阳电池效率
Tab．Efficiencyofcrystallinesiliconsolarcells
CeilsEm％）Are．aVocJsc（m。
A／FF（％）测试机构完成单位
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我国于1958年开始研究太阳电池，于1970年4月24R成功地应用于我国发射的东方红一号卫星上。
于1973年开始将太阳电池用于地面。
我国的光伏工业在80年代以前尚处于雏形，太阳电池的年产量仅几十kW水平，价格较贵。
由于受到价格和产量的限制，市场的发展很缓慢，除了作为卫星电源，在地面上仅用于小功率电源系统，如航标灯、铁路信号系统、高山气象站的仪器用电、电围栏、黑光灯、直流R光灯等，功率一般在几瓦到几十瓦之间。
在“六五”和“七五”期间，国家开始对光伏工业和光伏市场的发展给予支持，中央和地方政府在光伏领域投入了一定资金，使得我国十分弱小的太阳电池工业得到了巩固并在许多应用领域建立了示范，如微波中继站、部队通信系统、水闸和石油管道的阴极保护系统、农村载波电话系统、小型户用系统和村庄供电系统等。
5
云南师范』=学硕上学位论文
2002年，国家计委启动了“西部省区无电乡通电计划”，通过光伏和小型风力发电解决西部七省区（西藏、新疆、青海、甘肃、内蒙、陕西和四川）780个无电乡的用电问题，光伏用量达到19．6MWp。
在2000年以后，由于受到国际大环境的影响，以及国际项目和政府项目的启动和市场的拉动，截至2003年底，我国光伏产业的生产能力列于下表中i10】：
表2中国太阳电池片生产能力（2003年）
Tab2．Productionabilityofsolarcellsinchina
太阳电池的成本是制约光伏发电大规模应用的主要因素，而太阳电池的效率又是影响太阳电池成本的主要因素。
随着太阳电池的技术进步，太阳电池的效率不断提供，成本也有所下降。
我国太阳电池的降价趋势如下表所示：
表3太阳电池的降价趋势预测
Tab3．Forecastsolarcellscheapentendencyinchina
-k价格指独立光伏系统————
可以看出光伏在中国未来的电力供应中扮演重要角色，预计中国光伏工业
6
将以每年很快的速度增长。
1．3晶体硅太阳电池的工作原理与工艺
1．3．1工作原理
太阳电池是利用半导体光生伏特效应（PhotovoltaicEffect）的半导体器件。
当太阳光照射到由P型和n型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的p—n
结上时，在一定条件下，光能被半导体吸收后，在导带和价带中产生非平衡载
流子——电子和空穴。
它们分别在P区和rl区形成浓度梯度，并向p--n结作扩散运动，到达结区边界时受p—n结势垒区存在的强内建电场作用将空穴推向P区电子推向n区，在势垒区的非平衡载流子亦在内建电场的作用下，各向相反
方向运动，离开势垒区，结果使P区电势升高，n区电势降低，p--n结两端形成光生电动势，这就是p--n结的光生伏特效应。
太阳电池热平衡时的能带见图
2，太阳电池在光照下p-n结能带图见图3。
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鐾f——下j工五二如鐾I二=墨一二等雾
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云南师范丈学硕士学位论文
二．歹L
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（a）（b）
图3n—p结太明电池光照下能带图短路状态fa）和开路状态fb）Fj93．Theschematicoftheenergybandforilluminatedn’Psolarcell
●
表征太阳电池的电性能参数是：
开路电压（Voc）、短路电流（Isc）、填充因子（FF）和转换效率（n），太阳电池直流模型等效电路可由图4表示。
图中IL为光生电流，ID为二极管电流，Rs为串联电阻，Rsb为并联电阻，I为输出电流，v为输出电压。
RL为负载电阻。
图4太阳电池直流模型的等效电路图
Fi94．Equivalentcircuitofasolarceil，includingseriesandshuntresistances
对理想p--n结且不考虑太阳电池有限尺寸的影响，在开路情况下，光照P
--n结两端建立光生电势qV。
，称V。
为开路电压，表达式如下：
学屹,=kTln（t+-]c·
一，，
式中：
护锄?
c蔫+矗，c·
吲
S
Io为没有考虑尺寸影响时的二极管反向饱和电流，A为p—n结面积，k为玻耳兹曼常数，T为绝对温度，q为电子电荷。
可见，要提高电池的开路电压，必须提高短路电流和二极管反向饱和电流的比值。
（2）短路电流
根据图4，当R。
一O。
R；
h一一时，可得：
业
，=，L一，D=IL～Io（P‘7一1）（1—3）
当外电路短路时（R=0，V=0），此时I最大，表达式为：
I=IL=Isc（1—4）称为短路电流。
由于光照产生的非平衡载流子各向相反方向扩散和漂移，从而在内部构成自n区流向P区的光生电流。
在p--n结短路情况下构成短路电流I。
如果将p--n结与外电路接通，对于恒定光照，就会有恒定电流流过电路，在非静电力的作用下p--n结起了电源的作用。
在外电路接上负载后，负载中便有电流流过，该电流称为太阳电池的工作电流，或称输出电流。
负载两端的电压称
为工作电压。
（3）填充因子太阳电池的工作电流和电压随着负载电阻的变化而变化，将不同阻值所对
应的工作电压和电流值做成血线就得到太阳电池的伏安特性曲线，如果负载的电阻值使得工作电流和电压的乘积最大，即得到了最大的输出功率．用符号P。
表示。
则有：
Pm=V。
×
I。
（1—5）V。
和I。
分别是太阳电池工作时的最大工作电压和电流。
填充因子是最大输出功率与电池的短路电流和开路电压乘积的比值。
用FF
表示。
FF=去=跨（1--6）v。
cyj。
l。
c
填充因子是衡量电池输出特性的重要指标，代表电池在最佳负载时所能输出的最大功率，其值越大表明太阳电池的输出特性越好，FF值可由如下的经验公式给出：
9
云南师范大学硕士学位论文
FF：
—v一-ln（v—oc+0．72）（1—7）
V0c+l
式中，v。
是归一化开路电压，v。
=qV。
JnkT，n为二极管品质因子。
当v。
>
15时，该公式的精确度可达4位有效数字。
实际上，由于受串联电阻和并联电阻的影响，电池的实际填充因子的值低于上述给出的理想值。
（4）转换效率太阳电池将光能直接转换成有用电能的转换效率rl是判别电池质量的重要
参数，rI即电池的最大功率输出与入射光功率之比。
太阳电池的转换效率一直是太阳电池生产厂家和用户非常重视的问题，提高效率一方面可以减少原材料消耗，降低生产成本，另一方面可以在有限的空间内为用户提供充足的能源供应。
碍=等=T1．,lz二（1--8）
设电池的总面积为AT，中（^）为入射光子流密度，它表示波长为^的入射光在单位波长范围内，每秒钟垂直入射到电池单位面积上的光予数；
波长为^的光子能量为hc／^，则输入功率为总面积AT上的入射功率：
尸一=彳，』州’丁hcd五（I--9）
输出功率：
R。
=‰』。
=胛吃，，。
（I—10）
这样，太阳电池的效率：
叩
在一定的光照下，太阳电池产生一定的光电流IL，其中一部分是流过p-n结的暗电流，另一部分是供给负载的电流。
故可把光照下的p-n结看作是一个恒流源与理想二极管的并联组合，恒流源的电流是最大的光生电流IL，流过理想二极管的电流即为暗电流ID，I为流过负载R的电流。
1．3．2晶体硅太阳电池工艺
晶体硅太阳电池占太阳电池行业的主导地位，常规晶体硅太阳电池组件中硅片的成本约占55％～60％，太阳电池制片成本约占15％～18％，组件材料及制造成本占约25％～27％。
常规晶体硅太阳电池硅材料主要有：
直拉单晶硅、浇铸／定向凝固多晶硅、电磁浇铸多晶硅。
工业生产中，由于可以得到较好的绒面及较少的缺陷，直拉单晶硅太阳电池效率高于多晶硅太阳电池约1．5个百分点；
同时准方形的单晶硅太阳电池有较高的材料损失，成本高于多晶硅太阳电池约15％。
电磁浇铸多晶硅与浇铸或定向凝固多晶硅材料相比，由于减少了与坩埚的接触，使得材料中来自坩埚的污染大大减少1。
采用面积较大的硅片可以节约制片及封装的成本，目前国际上作为功率发电使用的晶体硅太阳电池尺寸以125X125mm2为主，100×
lOOmm2尺寸的太阳电池已较少，主要供庭院灯等小功率用电场合使用，150×
150mm2的太阳电池组件已经常见，2004年6月召开的第十九届欧洲光伏太阳能大会上已展出面积达210×
210mm2的太阳电池。
常规晶体硅太阳电池所用硅片的厚度一般为3009m左右。
目前由于多线免研磨切割技术的进步，较好地控制了切割硅片中心的厚度和整体厚度的变化，已可稳定生产更薄的厚度达2001．tm晶体硅片，可节约15*／0原材料，采用更薄的硅片已成晶体硅太阳电池生产技术的重要发展方向Il“。
太阳电池用晶体硅材料主要来源于Ic的次品料，但随着应用规模的扩大，这样的材料不能再满足光伏发展，今年世界光伏产业的发展已经严重感受到受材料供应的限制。
光伏产业的发展必然要有光伏自己特殊的材料——太阳能级硅，目前世界上的光伏大国纷纷投入力量进行研发，市场的发展会促进该技术尽快进入规模化生产。
目前单晶硅主要采用碱各向异性腐蚀原理制作绒面|I，多晶硅盍面处理有碱腐蚀和酸腐蚀两种¨
41，由于有多种取向的晶粒，不能利用简单的技术制作绒面。
目前在发展中的技术有反应离子刻蚀、多孔硅技术【l5】等，其中反应离子刻
蚀作为一种干法表面织构技术，较易实现自动化，是未来一种重要的产业化生
产技术。
近年来多晶硅湿法表面织构技术有了极大的进步，已制备出类似单晶硅太
阳电池表面的多晶硅太阳电池，转换效率因此而提高了0．5个百分点，产业化
生产的多晶硅太阳电池转换效率达到了15％，逼近单晶硅太阳电池。
扩散制作p-n结是晶体硅太阳电池的核心，是电池质量好坏的关键。
由于太阳电池是浅结结构，与其它半导体器件的差别较大，主要技术要求表面无“死层”，即使整个扩散区都有负的杂质浓度梯度，有合适的表面杂质浓度，能满足后续欧姆接触电极的制备及有较高的短波响应，并有较好的均匀性。
目前最常用晶体硅太阳电池扩散技术仍是POCl3管式炉扩散，由于封闭的管式炉的工艺过程容易保持洁净，双面扩散有更好的吸杂效应，掺杂源中氯在工艺过程中有清洁的作用，掺杂荆的沉积非常均匀。
目前最常用的去边p-n结技术是桶状等离子体刻蚀技术。
该技术具有批量大，工艺过程快，设备廉价的特点，但操作过程不易自动化。
采用激光切割、在线湿法化学腐蚀或在线等离子体单面刻蚀技术均易于提高生产线的自动化程度，但需要更高的设备投入（1“。
目前单晶硅太阳电池普遍采用常压化学气相沉积（APCVD）Ti02减
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